JP4911907B2 - Piezoelectric actuator and liquid ejection device - Google Patents

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Description

本発明は、圧電アクチュエータ及び液体吐出装置に関し、例えば、燃料噴射用インジェクタ、インクジェットプリンタ、あるいは圧電共振子、発振器、超音波モータ、超音波振動子、フィルタあるいは加速度センサ、ノッキングセンサ、及びAEセンサ等の圧電センサなどに適し、特に、広がり振動、伸び振動、厚みたて振動を利用した印刷ヘッドとして好適に用いられる圧電アクチュエータ及び液体吐出装置に関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric actuator and a liquid ejection device, for example, a fuel injection injector, an inkjet printer, or a piezoelectric resonator, an oscillator, an ultrasonic motor, an ultrasonic vibrator, a filter or an acceleration sensor, a knocking sensor, an AE sensor, and the like. In particular, the present invention relates to a piezoelectric actuator and a liquid ejecting apparatus that are preferably used as a print head using spread vibration, elongation vibration, and thickness vibration.

従来から、圧電磁器を利用した製品としては、例えば、圧電アクチュエータ、フィルタ、圧電共振子(以下、発振子を含む概念である)、超音波振動子、超音波モータ、圧電センサ等がある。   Conventionally, products using a piezoelectric ceramic include, for example, a piezoelectric actuator, a filter, a piezoelectric resonator (hereinafter, a concept including an oscillator), an ultrasonic vibrator, an ultrasonic motor, a piezoelectric sensor, and the like.

これらの中で、例えば圧電アクチュエータは、電気信号に対する応答速度がμsecオーダーと非常に高速であるため、半導体製造装置のXYステージの位置決め用圧電アクチュエータやインクジェットプリンタの印刷ヘッドに用いられる圧電アクチュエータ等に応用されている。特に、最近のカラープリンタの高速化、低価格化により、インクジェットプリンタ等のインク吐出用圧電アクチュエータへの使用要求が高まっている。   Among these, for example, the piezoelectric actuator has a very high response speed to an electric signal on the order of μsec, so that it can be used as a piezoelectric actuator for positioning an XY stage of a semiconductor manufacturing apparatus, a piezoelectric actuator used for a print head of an inkjet printer, or the like. Applied. In particular, due to the recent increase in speed and price of color printers, there is an increasing demand for use in piezoelectric actuators for ink ejection such as inkjet printers.

このような圧電アクチュエータには圧電素子が使用されており、例えば、セラミック振動板として作用するセラミックス基板と、その上に第1の電極層、圧電体層、及び第2の電極層をこの順に設けた、所謂ユニモルフ型の圧電アクチュエータが提案されている(例えば、特許文献1参照)。   A piezoelectric element is used for such a piezoelectric actuator. For example, a ceramic substrate that acts as a ceramic diaphragm, and a first electrode layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer are provided on the ceramic substrate in this order. A so-called unimorph type piezoelectric actuator has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

このような圧電アクチュエータのセラミック振動板として用いられているセラミックス基板は酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化アルミニウム、窒化珪素などが用いられているが、この様なセラミック振動板に変位素子を、100℃以上の高い温度で硬化する接着剤を用いて接着する際には、セラミックス基板と変位素子の線熱膨張係数が異なるために、変位素子に圧縮応力が発生する。圧縮応力により、変位素子の圧電特性が著しく低下するという課題があった。これを解決するために、セラミック振動板として用いるセラミックス基板を同一組成の圧電体で構成することが提案されている(特許文献2)。
国際公開第02/073710号パンフレット 特開2004−165650号公報
The ceramic substrate used as a ceramic diaphragm of such a piezoelectric actuator is made of zirconium oxide, aluminum oxide, magnesium oxide, aluminum nitride, silicon nitride, etc., but a displacement element is used on such a ceramic diaphragm. When bonding using an adhesive that cures at a high temperature of 100 ° C. or higher, the linear thermal expansion coefficients of the ceramic substrate and the displacement element are different, so that compressive stress is generated in the displacement element. There has been a problem that the piezoelectric characteristics of the displacement element are significantly lowered by the compressive stress. In order to solve this, it has been proposed that a ceramic substrate used as a ceramic diaphragm is composed of a piezoelectric material having the same composition (Patent Document 2).
International Publication No. 02/073710 Pamphlet JP 2004-165650 A

しかしながら、特許文献2に記載されている圧電アクチュエータは、圧縮応力を低減するという利点はあるものの、駆動を繰り返すと、変位が劣化し、その結果、液体吐出が不安定になるという問題があった。   However, although the piezoelectric actuator described in Patent Document 2 has an advantage of reducing the compressive stress, there is a problem that when the driving is repeated, the displacement is deteriorated, and as a result, the liquid discharge becomes unstable. .

そこで、本発明は、駆動耐久性に優れる圧電アクチュエータ及び液体吐出装置を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator and a liquid ejection device that are excellent in driving durability.

本発明の圧電アクチュエータは、第1の圧電セラミックスからなるセラミック振動板の表面に、第2の圧電セラミックスからなる圧電体層をコモン電極及び駆動電極で挟持してなる変位素子が複数設けられてなり、前記第1の圧電セラミックス前記第2の圧電セラミックスとはチタン酸鉛またはチタン酸バリウムまたはチタン酸ジルコン酸鉛系化合物のいずれかであり前記第1の圧電セラミックスの31の圧電特性が前記第2の圧電セラミックスより低いことを特徴とする。
The piezoelectric actuator of the present invention includes a plurality of displacement elements each having a piezoelectric layer made of a second piezoelectric ceramic sandwiched between a common electrode and a drive electrode on the surface of a ceramic diaphragm made of a first piezoelectric ceramic. The first piezoelectric ceramic and the second piezoelectric ceramic are either lead titanate, barium titanate, or lead zirconate titanate compounds, and the piezoelectric characteristics of d 31 of the first piezoelectric ceramic are as follows. It is lower than the second piezoelectric ceramic.

特に、前記第1の圧電セラミックスの 31 圧電特性が、前記第2の圧電セラミックスの 31 圧電特性の75%以下であることが好ましい。 In particular, piezoelectric properties d 31 of the first piezoelectric ceramic is preferably 75% or less of the piezoelectric properties d 31 of the second piezoelectric ceramic.

前記第1の圧電セラミック及び第2の圧電セラミックスが、主成分としてPb、Zr、Tiを含むことを特徴とする。 The first piezoelectric ceramics and a second piezoelectric ceramic, and wherein the containing Pb, Zr, Ti as the main component.

前記第1の圧電セラミックスの格子定数比c/aが1.013〜1.030、前記第2の圧電セラミックスの格子定数比c/aが1.01〜1.016、且つ、c /a の値がc /a の値よりも小さいことを特徴とする。 The lattice constant ratio of the first pressure Dense La Mix c 1 / a 1 is from 1.013 to 1.030, the lattice constant ratio c 2 / a 2 of said second piezoelectric ceramic is 1.01 to 1.016 And the value of c 2 / a 2 is smaller than the value of c 1 / a 1 .

前記第1の圧電セラミックスのZr/Ti比が0.96〜0.81、前記第2の圧電セラミックスのZr/Ti比が1.17〜0.92、且つ、前記第1の圧電セラミックスのZr/Ti比が前記第2の圧電セラミックスのZr/Ti比より小さいことを特徴とする。 The Zr / Ti ratio of the first pressure Dense La mix .96-.81, Zr / Ti ratio of said second piezoelectric ceramic is 1.17 to 0.92, and said first piezoelectric The Zr / Ti ratio of the ceramic is smaller than the Zr / Ti ratio of the second piezoelectric ceramic.

また、本発明の液体吐出装置は、上記の圧電アクチュエータを、液体加圧室と、該液体加圧室に連通するノズル孔とを具備する流路部材に接合してなり、前記液体加圧室に充填された液体を前記圧電アクチュエータによって加圧し、前記ノズル孔から液滴を吐出させることを特徴とする。 The liquid discharge apparatus of the present invention, the above-described piezoelectric actuator, it was joined with liquids pressurizing chamber, the flow path member having a nozzle hole communicating with the liquid pressure chamber, the liquid pressure The liquid filled in the chamber is pressurized by the piezoelectric actuator, and droplets are ejected from the nozzle holes.

高い変位特性を得るためには、圧電体の分域回転歪を利用することが不可欠である。この様な、大きな分域回転歪を得るためには、MPB近傍の菱面体晶側の組成を利用する、あるいは3価、あるいは5価以上のドナー成分を添加することが有効である。   In order to obtain high displacement characteristics, it is indispensable to use the domain rotational strain of the piezoelectric body. In order to obtain such a large domain rotational strain, it is effective to use a rhombohedral composition near the MPB, or to add a trivalent or pentavalent or higher donor component.

しかし、この様な分域回転歪の大きな圧電体は応力による結晶配向性の変化が生じやすいため、圧電体と同一組成の基板をセラミック振動板として用いて変位を繰り返し行うと、セラミック振動板に対して、応力が付与されることにより、結晶の配向状態が変化する。その結果、圧電素子の拘束状態が変化することにより、変位が劣化するという知見を得た。   However, such a piezoelectric material having a large domain rotational strain is likely to change in crystal orientation due to stress. Therefore, if a substrate having the same composition as the piezoelectric material is used as a ceramic diaphragm, and the displacement is repeated, On the other hand, when stress is applied, the orientation state of the crystal changes. As a result, the inventors have found that the displacement deteriorates when the restraint state of the piezoelectric element changes.

さらに、圧電体と電極との同時焼成を行う際に、これらの熱膨張係数差による熱応力を低減するために、セラミック振動板は同一組成の圧電体であることが好ましいが、変位と耐久性を両立させるためには、変位を行う第2の圧電セラミックスは分域回転成分の多い圧電体、つまり、圧電特性の高い圧電体とし、且つ第1の圧電セラミックスは結晶配向を抑制するために、分域回転の少ない圧電体、つまり、圧電特性の低い圧電体とすることが重要であるという知見を得た。 Furthermore, in order to reduce the thermal stress due to the difference in coefficient of thermal expansion when performing simultaneous firing of the piezoelectric body and the electrode, the ceramic diaphragm is preferably a piezoelectric body of the same composition, but the displacement and durability In order to achieve both, the second piezoelectric ceramic to be displaced is a piezoelectric body with many domain rotation components , that is, a piezoelectric body with high piezoelectric characteristics , and the first piezoelectric ceramic is for suppressing crystal orientation. It was found that it is important to make a piezoelectric body with little domain rotation , that is, a piezoelectric body with low piezoelectric characteristics .

このように、第1の圧電セラミックス第2の圧電セラミックスとをチタン酸鉛またはチタン酸バリウムまたはチタン酸ジルコン酸鉛系化合物のいずれかとし、第1の圧電セラミックスの31の圧電特性を第2の圧電セラミックスより低くすることにより、駆動耐久性に優れる圧電アクチュエータ及び液体吐出装置を実現することができる。
In this way, the first piezoelectric ceramic and the second piezoelectric ceramic are either lead titanate, barium titanate, or lead zirconate titanate compounds, and the piezoelectric characteristics of d 31 of the first piezoelectric ceramic are expressed as follows. By making it lower than 2 piezoelectric ceramics, it is possible to realize a piezoelectric actuator and a liquid ejection device that are excellent in driving durability.

本発明を、図を用いて説明する。図1は、本発明による一実施例の圧電アクチュエータを示す断面図である。   The present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view showing a piezoelectric actuator according to an embodiment of the present invention.

図1において、圧電アクチュエータは、セラミック振動板2の表面に変位素子7が複数設けられている。各変位素子7は、コモン電極4、圧電層5及び駆動電極6がこの順に積層されて構成され、圧電体層5をコモン電極4と駆動電極6で挟持するように配置している。なお、コモン電極4は接地されるとともに、各駆動電極6には外部から電圧が印加され、コモン電極4と駆動電極6間に印加された電圧によって圧電体層5が変位することができる。そして、各変位素子7とセラミック振動板2とで圧電素子9が構成されている。 In FIG. 1, the piezoelectric actuator is provided with a plurality of displacement elements 7 on the surface of the ceramic diaphragm 2. Each displacement element 7, the common electrode 4, the piezoelectric layer 5 and the drive electrodes 6 are laminated in this order, are arranged piezoelectric layer 5 so as to sandwich the driving electrodes 6 and the common electrode 4. The common electrode 4 is grounded, and a voltage is applied to each drive electrode 6 from the outside. The piezoelectric layer 5 can be displaced by the voltage applied between the common electrode 4 and the drive electrode 6. Each displacement element 7 and the ceramic diaphragm 2 constitute a piezoelectric element 9.

本発明によれば、セラミック振動板2が第1の圧電セラミックスからなり、圧電体層5が第2の圧電セラミックスからなり、しかも、第1の圧電セラミックス第2の圧電セラミックスとはチタン酸鉛またはチタン酸バリウムまたはチタン酸ジルコン酸鉛系化合物のいずれかであり、且つ第1の圧電セラミックスの31の圧電特性が第2の圧電セラミックスより低い材料からなっていることが重要である。このように、第1の圧電セラミックス第2の圧電セラミックスとをチタン酸鉛またはチタン酸バリウムまたはチタン酸ジルコン酸鉛系化合物のいずれかとし、第1の圧電セラミックスの31の圧電特性を第2の圧電セラミックスより低くすることにより、駆動耐久性に優れる圧電アクチュエータ及び液体吐出装置を実現することができる。
According to the present invention, the ceramic diaphragm 2 is made of the first piezoelectric ceramic, the piezoelectric layer 5 is made of the second piezoelectric ceramic, and the first piezoelectric ceramic and the second piezoelectric ceramic are lead titanate. Or it is important that it is either a barium titanate or a lead zirconate titanate compound and is made of a material having a lower piezoelectric property of d 31 of the first piezoelectric ceramic than that of the second piezoelectric ceramic. In this way, the first piezoelectric ceramic and the second piezoelectric ceramic are either lead titanate, barium titanate, or lead zirconate titanate compounds, and the piezoelectric characteristics of d 31 of the first piezoelectric ceramic are expressed as follows. By making it lower than 2 piezoelectric ceramics, it is possible to realize a piezoelectric actuator and a liquid ejection device that are excellent in driving durability.

本発明における圧電セラミックスとは、圧電性を示すセラミックスを意味し、Bi層状化合物やタングステンブロンズ構造物質、Nb酸アルカリ化合物のペロブスカイト構造化合物、Pbを含有するジルコン酸チタン酸鉛(PZT)やチタン酸鉛等を含有するペロブスカイト構造化合物を例示できるが、これら中でもPbを含むジルコン酸チタン酸鉛やチタン酸鉛が、電極との濡れ性を高め、電極との密着強度を高める点で好適である。 The pressure Dense la mix in the present invention means a ceramic that shows piezoelectricity, Bi layered compound and a tungsten bronze structure material, perovskite structure compounds of Nb alkali compounds, lead zirconate titanate containing Pb (PZT) And perovskite structure compounds containing lead titanate and the like, but among these, lead zirconate titanate and lead titanate containing Pb are suitable in terms of increasing wettability with the electrode and increasing adhesion strength with the electrode. It is.

特に、チタン酸鉛、チタン酸バリウムは高い拘束力を得る点で有効である。即ち、Aサイト構成元素としてPbを含有し、且つ、Bサイト構成元素としてZr及び/又はTiを含有する結晶であり、特に、チタン酸ジルコン酸鉛系化合物であることが、より高いd定数を有し、大きな変位の可能な圧電焼結体を得るために好ましい。   In particular, lead titanate and barium titanate are effective in obtaining a high binding force. That is, it is a crystal containing Pb as an A site constituent element and Zr and / or Ti as a B site constituent element. In particular, a lead zirconate titanate-based compound has a higher d constant. It is preferable for obtaining a piezoelectric sintered body having a large displacement.

第1の圧電セラミックス第2の圧電セラミックスとをチタン酸鉛またはチタン酸バリウムまたはチタン酸ジルコン酸鉛系化合物のいずれかとし第1の圧電セラミックスの31の圧電特性第2の圧電セラミックスより低くすることは、例えば、熱膨張係数差を小さくするために両者の主成分を同一にし、添加物を変えて圧電特性を変えることにより達成できる。これにより、第2の圧電セラミックスを分域回転成分の多い圧電体とすることができる。 The first piezoelectric ceramic and the second piezoelectric ceramic are either lead titanate, barium titanate, or lead zirconate titanate compound, and the piezoelectric characteristics of d 31 of the first piezoelectric ceramic are expressed as the second piezoelectric ceramic. The lowering can be achieved, for example, by making the main components of both the same in order to reduce the difference in thermal expansion coefficient and changing the additive to change the piezoelectric characteristics. As a result, the second piezoelectric ceramic can be a piezoelectric body having many domain rotation components.

具体的には、第1の圧電セラミックスにはPZTを用い、第2の圧電セラミックスには主成分のPZTに対して、Sr、Ba、Ni、Sb、Nb、Zn、Yb及びTeのうち少なくとも1種を含有させ、より安定した圧電焼結体を得ることができる。例えば副成分としてPb(Zn1/3Sb2/3)O及びPb(Ni1/2Te1/2)Oとを固溶してなるものを例示できる。 Specifically, PZT is used for the first piezoelectric ceramic, and at least one of Sr, Ba, Ni, Sb, Nb, Zn, Yb, and Te with respect to PZT as the main component for the second piezoelectric ceramic. By adding seeds, a more stable piezoelectric sintered body can be obtained. For example, what is formed by dissolving Pb (Zn 1/3 Sb 2/3 ) O 3 and Pb (Ni 1/2 Te 1/2 ) O 3 as subcomponents can be exemplified.

特に、Aサイト構成元素として、さらにアルカリ土類元素を含有することが望ましい。アルカリ土類元素としては特にBa、Srが高い変位を得られる点で好ましく、Baを0.02〜0.08モル、Srを0.02〜0.12モル含むことが特に正方晶組成が主体の組成の場合に大きな変位を得るのに有利である。   In particular, it is desirable to further contain an alkaline earth element as the A site constituent element. As the alkaline earth element, Ba and Sr are particularly preferable in that a high displacement can be obtained, and the inclusion of 0.02 to 0.08 mol of Ba and 0.02 to 0.12 mol of Sr is particularly mainly tetragonal composition. It is advantageous to obtain a large displacement in the case of the following composition.

例えば、Pb1−x―ySrBa(Zn1/3Sb2/3(Ni1/2Te1/2Zr1−a−b−cTi+αwt%Pb1/2NbO(0≦x≦0.14、0≦y≦0.14、0.05≦a≦0.1、0.002≦b≦0.01、0.44≦c≦0.50、α=0.1〜1.0)で表されものである。 For example, Pb 1-x-y Sr x Ba y (Zn 1/3 Sb 2/3) a (Ni 1/2 Te 1/2) b Zr 1-a-b-c Ti c O 3 + αwt% Pb 1 / 2 NbO 3 (0 ≦ x ≦ 0.14, 0 ≦ y ≦ 0.14, 0.05 ≦ a ≦ 0.1, 0.002 ≦ b ≦ 0.01, 0.44 ≦ c ≦ 0.50 , in which you express by alpha = 0.1 to 1.0).

また、第2の圧電セラミックスのZr/Ti比が1.17〜0.92、第1の圧電セラミックスのZr/Ti比が0.96〜0.81、且つ、第1の圧電セラミックスのZr/Ti比が第2の圧電セラミックスのZr/Ti比より小さいことが大きな拘束力を得る点で好ましい。 Further, Zr / Ti ratio of the second piezoelectric ceramic 1.17-0.92, Zr / Ti ratio of the first pressure Dense La mix 0.96 to 0.81, and the first piezoelectric ceramic The Zr / Ti ratio is preferably smaller than the Zr / Ti ratio of the second piezoelectric ceramic in terms of obtaining a large restraining force.

さらに、第2の圧電セラミックスの格子定数比c /a が1.01〜1.016、好ましくは1.011〜1.013、第1の圧電セラミックスの格子定数比c /a が1.013〜1.030、好ましくは1.015〜1.017が圧電層と熱膨張をそろえるという点で好ましい。 Moreover, the lattice constant ratio c 2 / a 2 of the second piezoelectric ceramic from 1.01 to 1.016, preferably from 1.011 to 1.013, the lattice constant ratio of the first pressure Dense La Mix c 1 / a 1 is from 1.013 to 1.030, preferably in that 1.015 to 1.017 are aligned and the thermal expansion the piezoelectric layer.

第1の圧電セラミックスのd31の圧電特性は、第2の圧電セラミックスのd31の圧電特性の75%以下、特に70%以下であることが好ましい。圧電特性が低いということは、分域回転が少ないということであり、より拘束力の高い圧電セラミックスとなる。 The piezoelectric property of d 31 of the first piezoelectric ceramic is preferably 75% or less, particularly 70% or less of the piezoelectric property of d 31 of the second piezoelectric ceramic. A low piezoelectric property means that the domain rotation is small, and the piezoelectric ceramic has a higher binding force.

また、本発明によれば、同時焼成で作製するため、コモン電極4が銀を87体積%以上、特に90体積%以上、さらには93体積%以上含む銀−パラジウム合金からなり、焼成後の圧電アクチュエータ1の内部に発生する残留応力の大きさを100MPa以下に制御することが好ましい。このように、コモン電極4の銀成分を87体積%以上にすることにより電極の収縮による圧縮応力を低減する効果を期待できる。   In addition, according to the present invention, since the common electrode 4 is manufactured by simultaneous firing, the common electrode 4 is made of a silver-palladium alloy containing 87% by volume or more, particularly 90% by volume or more, and further 93% by volume or more of silver. It is preferable to control the residual stress generated in the actuator 1 to 100 MPa or less. Thus, the effect which reduces the compressive stress by shrinkage | contraction of an electrode can be anticipated by making the silver component of the common electrode 4 into 87 volume% or more.

また、コモン電極4の凝集を抑制する為に、コモン電極4の平均粒子径は0.1〜5.0μmが好ましく、また、さらに密着強度を高め、残留応力を低減して圧電特性d31をより安定化させるため、コモン電極4の少なくとも一部、特にコモン電極4が圧電セラミックスを含むことが好ましい。この圧電セラミックスは、銀パラジウム合金の総量を100体積%とした時に10〜60体積%、特に18〜50体積%、更には20〜30体積%の割合で含まれるのが、コモン電極4と圧電体層5との密着強度を高めながら残留応力を低減させるために良い。 Further, in order to suppress aggregation of the common electrode 4, the average particle diameter of the common electrode 4 is preferably 0.1 to 5.0 μm. Further, the adhesion strength is increased, the residual stress is reduced, and the piezoelectric characteristic d 31 is improved. order to further stabilize, at least a portion of the common electrode 4, particularly preferably the common electrode 4 comprises a pressure Dense la mix. The pressure Dense la mix 10-60 vol% when the total amount of silver-palladium alloy is 100% by volume, in particular 18 to 50 vol%, and more that are included in a proportion of 20 to 30 vol%, the common electrode This is good for reducing the residual stress while increasing the adhesion strength between the piezoelectric layer 4 and the piezoelectric layer 5.

さらに、上記圧電セラミックスは、残留応力の均質化のため、その平均結晶粒子径が0.3〜1.0μmであることが好ましい。さらに、欠陥抑制のために0.4〜0.6μmが好ましい。このように結晶粒子径を制御すると、残留応力が発生した場合でも、複数の変位素子に発生する残留応力の大きさが均一化され、ばらつきが小さいため、圧電特性d31への影響が少なくなる。 Furthermore, the pressure Dense la mix for homogenization of residual stresses, it is preferable that the average crystal grain size of 0.3 to 1.0 [mu] m. Furthermore, 0.4 to 0.6 μm is preferable for suppressing defects. When the crystal grain diameter is controlled in this way, even when residual stress is generated, the residual stress generated in the plurality of displacement elements 7 is made uniform and the variation is small, so the influence on the piezoelectric characteristic d 31 is small. Become.

次に、本発明の積層圧電体の製造方法について、一例としてPZTを圧電セラミックスとして用いた場合について説明する。   Next, the case where PZT is used as the piezoelectric ceramic will be described as an example of the method for manufacturing the laminated piezoelectric material of the present invention.

まず、原料として、第1の圧電セラミック粉末としてPZT粉末を準備するとともに、第2の圧電セラミック粉末として上述したPZT系の材料の1種を準備する。   First, as a raw material, a PZT powder is prepared as a first piezoelectric ceramic powder, and one of the above-described PZT materials is prepared as a second piezoelectric ceramic powder.

これらの圧電セラミック粉末に適当な有機バインダーを添加してそれぞれテープ状に成形し、作製したグリーンシートの一部に内部電極としてAg−Pdペーストを塗布して積層し、さらに、10〜50MPaの圧力で加圧した後、所望の形状にカットする。これを、400℃程度で脱バインダーを行いその後焼成する。焼成後、表面に所望の電極を形成し分極して積層圧電体を形成する。 With the addition of suitable organic binders to these piezoelectric ceramic Powder was formed into tape-like, respectively, by applying the Ag-Pd paste was deposited as an internal electrode in a part of the green sheets formed, further, 10 to 50 MPa And then cut into a desired shape. This is debindered at about 400 ° C. and then fired. After firing, a desired electrode is formed on the surface and polarized to form a laminated piezoelectric body.

なお、焼結前生密度は4.5g/cm以上であることが好ましい、焼結体密度を4.5g/cm以上に上げることにより、より低温での焼成が可能であり、さらに生密度を上げると、Pbの蒸発を抑制することも容易となる。 It is preferable raw density before sintering is 4.5 g / cm 2 or more, by increasing the sintered density 4.5 g / cm 2 or more, more can be fired at a low temperature, still raw Increasing the density also makes it easier to suppress evaporation of Pb.

本発明の液体吐出装置は、図2に示したように、内部に液体加圧室13aと、液体加圧室13aに連通するノズル孔18とを具備する流路部材13に接合してなり、液体加圧室13aに充填された液体を圧電アクチュエータ11によって加圧し、ノズル孔18から液滴を吐出させることを特徴とするもので、インクジェット方式を利用した記録装置に用いられるインクジェット用印刷ヘッドとして好適に用いることができる。   As shown in FIG. 2, the liquid ejection apparatus of the present invention is joined to a flow path member 13 having a liquid pressurizing chamber 13a and a nozzle hole 18 communicating with the liquid pressurizing chamber 13a. The liquid filled in the liquid pressurizing chamber 13a is pressurized by the piezoelectric actuator 11 and the liquid droplets are ejected from the nozzle hole 18 as an ink jet print head used in a recording apparatus using an ink jet system. It can be used suitably.

なお、圧電アクチュエータ11は、セラミック振動板12の上にコモン電極14、圧電体層15をこの順に形成し、さらに圧電体層15の表面に複数の駆動電極16を形成し、圧電体層15をコモン電極14と駆動電極16とで挟持した構造を有する変位素子17をセラミック振動板12の上に複数形成してなるものである。 In the piezoelectric actuator 11, the common electrode 14 and the piezoelectric layer 15 are formed in this order on the ceramic diaphragm 12, and a plurality of drive electrodes 16 are formed on the surface of the piezoelectric layer 15. A plurality of displacement elements 17 having a structure sandwiched between the common electrode 14 and the drive electrode 16 are formed on the ceramic diaphragm 12.

この圧電アクチュエータ11が、複数の溝並設され、溝である液体加圧室及び各溝を仕切る隔壁13bを具備する流路部材13と接合されてなる。接合は、セラミック振動板12が液体加圧室13aの空間と当接するように流路部材13に接着剤等を用いて接合するが、変位素子17を構成する駆動電極16の各々は液体加圧室13aの直上に配置するように設けられている。そして、各変位素子17とセラミック振動板12とで圧電素子19が構成されている。 The piezoelectric actuator 11, a plurality of grooves are provided in parallel, formed by bonding the flow path member 13 having a partition wall 1 3b for partitioning the liquid pressurizing chamber 1 3 a and each groove is a groove. Junction is ceramic diaphragm 12 is joined by using an adhesive or the like to the flow path member 13 so as to space and contact the liquid pressurizing chamber 13a, each of the drive electrodes 16 of the displacement element 17 is a liquid under pressure It is provided so as to be disposed immediately above the chamber 13a. Each displacement element 17 and the ceramic diaphragm 12 constitute a piezoelectric element 19.

そして、コモン電極14と駆動電極16との間に駆動回路より電圧を印加し、電圧が印加され変位した変位素子17に対応する液体加圧室13a内のインクを加圧し、圧電素子1を振動させることにより液体加圧室13a内のインクを加圧し、流路部材13の底面に開口させたノズル孔18よりインク滴を吐出させる。 Then, applying a voltage from the drive circuit between the common electrode 14 and the driving electrode 16, the ink pressurized in the liquid pressurizing chamber 13a corresponding to the displacement element 17 to which a voltage has been applied displacement, the piezoelectric element 1 9 By oscillating, the ink in the liquid pressurizing chamber 13 a is pressurized, and ink droplets are ejected from the nozzle holes 18 opened in the bottom surface of the flow path member 13.

このような印刷ヘッドの圧電アクチュエータとして本発明の積層圧電体を用いることによって、安価なICを用いて印刷ヘッドを実現することができる。   By using the laminated piezoelectric material of the present invention as the piezoelectric actuator of such a print head, a print head can be realized using an inexpensive IC.

本発明の印刷ヘッド、変位特性に優れるため、高速で高精度な吐出というという特徴が得られ、高速印刷に好適な印刷ヘッドを提供することができる。また、本発明の印刷ヘッドをプリンタに搭載することによって、例えば、上記の印刷ヘッドにインクを供給するインクタンクと、記録紙に印刷するための記録紙搬送機構とを備えているプリンタは、従来に比べて高速・高精度の印刷を容易に達成できる。   Since the print head of the present invention is excellent in displacement characteristics, a feature of high-speed and high-precision ejection is obtained, and a print head suitable for high-speed printing can be provided. In addition, by mounting the print head of the present invention on a printer, for example, a printer including an ink tank that supplies ink to the print head and a recording paper transport mechanism for printing on a recording paper is conventionally provided. Compared to, high-speed and high-precision printing can be easily achieved.

本発明の積層圧電体を作製し、これを圧電アクチュエータとしてインクジェット印刷ヘッドに応用した。   The laminated piezoelectric material of the present invention was produced and applied to an ink jet print head as a piezoelectric actuator.

まず、原料として、純度99%以上のチタン酸ジルコン酸鉛を含有する圧電セラミック粉末を準備した。 First, as a raw material, it was prepared piezoelectric ceramic Powder containing 99% or more of lead zirconate titanate.

グリーンシートは、ジルコン酸チタン酸鉛を主成分とする圧電用のセラミック材の粉末に、水系バインダーとしてブチルメタクリレート、分散剤にポリカルポン酸アンモニウム塩、溶剤にイソプロビルアルコールと純水を各々添加して混合し、このスラリーをドクタープレード法によりキャリアフィルム上に、厚さ30μmのシート形状にて作製した。   The green sheet is made by adding butyl methacrylate as an aqueous binder, polycarboxylate ammonium salt as a dispersant, isopropyl alcohol and pure water as a solvent to a piezoelectric ceramic powder mainly composed of lead zirconate titanate. After mixing, this slurry was prepared in the form of a sheet having a thickness of 30 μm on a carrier film by the doctor blade method.

に示す圧電体層用およびセラミック振動板用の2種類の組成のグリーンシートを作製し組み合わせた。 Green sheets having two compositions for piezoelectric layers and ceramic diaphragms shown in Table 1 were prepared and combined.

また、内部電極ペーストを、セラミック振動板用のグリーンシートの表面に厚さ4μmで印刷し、内部電極を形成した。
更に、内部電極が印刷された面を上向きにしてセラミック振動板グリーンシートの上に圧電体層用グリーンシートを積層し、加圧プレスし、積層体を得た。
Further, the internal electrode paste was printed at a thickness of 4 μm on the surface of the ceramic diaphragm green sheet to form the internal electrode.
Furthermore, the green sheet for piezoelectric layers was laminated on the ceramic diaphragm green sheet with the surface on which the internal electrodes were printed facing upward, and pressed to obtain a laminate.

この積層体を脱脂処理した後に、980℃、酸素99%以上の雰囲気中で4時間保持して焼結し、圧電体層とセラミック振動板2とコモン電極(内部電極)4とからなる積層体を作製した。それらの表面片側に駆動電極を形成した。駆動電極は、スクリーン印刷にてAuペーストを塗布した。これを600〜800℃で大気中で焼付けて形成した。 After degreasing the laminated body, the laminated body is sintered by being held in an atmosphere of 980 ° C. and oxygen of 99% or more for 4 hours, and is composed of the piezoelectric layer 5 , the ceramic diaphragm 2, and the common electrode ( internal electrode ) 4. The body was made. A drive electrode 6 was formed on one side of the surface. The drive electrode 6 was coated with Au paste by screen printing. This was formed by baking at 600 to 800 ° C. in the air.

最後に、駆動電極にリード線を半田で接続し、図1に示すような形状の圧電素子を完成した。 Finally, lead wires were connected to the drive electrodes 6 by soldering to complete a piezoelectric element 9 having a shape as shown in FIG.

次に、圧電素子の変位評価方法について示す。図1に示す形状の圧電素子を8mm×8mmの大きさに加工し、この基板を10mm×10mmの外形に4mm×4mmの孔を空けた金属基板に接着し、変位測定用サンプルとした。さらに、コモン電極駆動電極6間の厚み方向に3k/mmの直流電圧を5分間印加して分極を行った。2kV/mmの電圧下変位を行った。変位はドップラー変位計で測定した。50時間変位後変位測定し、変位の劣化量を求めた。結果を表1に示した。

Figure 0004911907
Next, a displacement evaluation method for piezoelectric elements will be described. The piezoelectric element 9 having the shape shown in FIG. 1 was processed into a size of 8 mm × 8 mm, and this substrate was bonded to a metal substrate having a 10 mm × 10 mm outer shape with a 4 mm × 4 mm hole, to obtain a displacement measurement sample. In addition, we polarization by applying a DC voltage of 3k V / mm 5 minutes and the common electrode 4 in the thickness direction between the driving electrodes 6. Displacement under a voltage of 2 kV / mm was performed. The displacement was measured with a Doppler displacement meter. The displacement was measured after displacement for 50 hours, and the amount of deterioration of the displacement was determined. The results are shown in Table 1.
Figure 0004911907

本発明の試料No.2〜12は、変位が53nm以上であが、50時間の耐久後の変位劣化率が5%以下であった。 Sample No. of the present invention. 2-12, the displacement is Ru der than 53 nm, the displacement deterioration rate after the durability test of 50 hours is 5% or less.

一方、第1の圧電セラミックスと第2の圧電セラミックスが同一である本発明の範囲外の試料No.1は劣化率が10%以上と大きかった。   On the other hand, sample No. 1 outside the scope of the present invention in which the first piezoelectric ceramic and the second piezoelectric ceramic are the same. No. 1 had a large deterioration rate of 10% or more.

本発明の圧電アクチュエータの構造を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the piezoelectric actuator of this invention. 本発明の液体吐出装置の構造を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the liquid discharge apparatus of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1、11・・・圧電アクチュエータ
2、12・・・セラミック振動板
4、14・・・コモン電極
5、15・・・圧電体層
6、16・・・駆動電極
7、17・・・変位素子
9、19・・・圧電素子
13・・・流路部材
13a・・・液体加圧室
13b・・・隔壁
18・・・ノズル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 11 ... Piezoelectric actuator 2, 12 ... Ceramic diaphragm 4, 14 ... Common electrode 5, 15 ... Piezoelectric layer 6, 16 ... Drive electrode 7, 17 ... Displacement element
9, 19 ... Piezoelectric element 13 ... Channel member 13a ... Liquid pressurizing chamber 13b ... Partition 18 ... Nozzle hole

Claims (6)

第1の圧電セラミックスからなるセラミック振動板の表面に、第2の圧電セラミックスからなる圧電体層をコモン電極及び駆動電極で挟持してなる変位素子が複数設けられてなり、前記第1の圧電セラミックス前記第2の圧電セラミックスとはチタン酸鉛またはチタン酸バリウムまたはチタン酸ジルコン酸鉛系化合物のいずれかであり前記第1の圧電セラミックスの31の圧電特性が前記第2の圧電セラミックスより低いことを特徴とする圧電アクチュエータ。 A plurality of displacement elements each having a piezoelectric layer made of a second piezoelectric ceramic sandwiched between a common electrode and a drive electrode are provided on the surface of a ceramic diaphragm made of the first piezoelectric ceramic. And the second piezoelectric ceramic is any one of lead titanate, barium titanate, or lead zirconate titanate compounds, and the piezoelectric characteristic of d 31 of the first piezoelectric ceramic is higher than that of the second piezoelectric ceramic. A piezoelectric actuator characterized by being low. 前記第1の圧電セラミックスのd31の圧電特性が、前記第2の圧電セラミックスのd31の圧電特性の75%以下であることを特徴とする請求項1記載の圧電アクチュエータ。 2. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the piezoelectric property of d 31 of the first piezoelectric ceramic is 75% or less of the piezoelectric property of d 31 of the second piezoelectric ceramic. 3. 前記第1の圧電セラミックス及び前記第2の圧電セラミックスが、成分としてPb、Zr、Tiを含むことを特徴とする請求項1又は2記載の圧電アクチュエータ。   The piezoelectric actuator according to claim 1 or 2, wherein the first piezoelectric ceramic and the second piezoelectric ceramic contain Pb, Zr, and Ti as components. 前記第1の圧電セラミックスの格子定数比c/aが1.013〜1.030、前記第2の圧電セラミックスの格子定数比c/aが1.01〜1.016、且つ、c/aの値がc/aの値よりも小さいことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。 The lattice constant ratio c 1 / a 1 of the first piezoelectric ceramic is 1.013 to 1.030, the lattice constant ratio c 2 / a 2 of the second piezoelectric ceramic is 1.01 to 1.016, and the piezoelectric actuator according to claim 1, the value of c 2 / a 2 is equal to or smaller than the value of c 1 / a 1. 前記第1の圧電セラミックスのZr/Ti比が0.96〜0.81、前記第2の圧電セラミックスのZr/Ti比が1.17〜0.92、且つ、前記第1の圧電セラミックスのZr/Ti比が前記第2の圧電セラミックスのZr/Ti比より小さいことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。   The Zr / Ti ratio of the first piezoelectric ceramic is 0.96 to 0.81, the Zr / Ti ratio of the second piezoelectric ceramic is 1.17 to 0.92, and the Zr of the first piezoelectric ceramic is Zr / Ti. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein a / Ti ratio is smaller than a Zr / Ti ratio of the second piezoelectric ceramic. 請求項1〜5のいずれかに記載の圧電アクチュエータを、液体加圧室と、該液体加圧室に連通するノズル孔とを具備する流路部材に接合してなり、前記液体加圧室に充填された液体を前記圧電アクチュエータによって加圧し、前記ノズル孔から液滴を吐出させることを特徴とする液体吐出装置。   The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 5 is joined to a flow path member including a liquid pressurizing chamber and a nozzle hole communicating with the liquid pressurizing chamber. A liquid ejecting apparatus, wherein the filled liquid is pressurized by the piezoelectric actuator, and droplets are ejected from the nozzle holes.
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